大型海藻能源化利用的研究与思考

2 大型海藻能源化利用的国际动态
美国是第一个试图利用栽培海藻作为能源资 源的国家，并在 20 世纪 70 和 80 年代开始实施
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第1卷 第4期
周志刚 等：大型海藻能源化利用的研究与思考
产业经济
名为“Marine Biomass Program”的计划，将离岸 养殖的巨藻 （Macrocystis pyrifera） 收集后经厌氧 发酵产生沼气，从而得出把海藻转化为甲烷是可 行的结论[3]。
1 大型海藻作为能源植物的优势
就我国生物质能源资源来说，120 万 km2 耕 地生产的粮食、400 万 km2 山林草场生产的树木 杂草、300 万 km2 海域生产的海藻大致各占三分 之一 [1]。长期以来，人们最关注的是粮食与树木 杂草的能源化，而具有独特优势的海藻在很长时
收稿日期： 2011-08-01 基金项目： 国家海洋局可再生能源专项基金 （SHME2011SW02）； 海洋生物学重点学科资助项目 （J50701） 作者简介： 周志刚， 男， 教授， 博士， 主要研究方向： 藻类生物学， E-mail： zgzhou@。
当今，人类社会的发展正面临着由能源使用 所引起的三个严重问题：一是环境恶化，即人类 活动排放大量温室气体如 CO2 等，引起全球气候 变暖，正在威胁人类自身生存；二是能源危机， 即随着矿物能源如石油、煤炭、天然气的大规模 开采利用，这些不可再生的能源资源正日益短 缺，价格不断高涨，甚至供不应求；三是粮食短 缺，世界人口不断增长，而工业化日益导致耕地 减少、退化、沙化，从而造成粮食减产、甚至短 缺。可再生能源的开发利用是解决这 3 个问题的 有效途径，因此，它已成为关系各国、各民族可 持续发展的大计。我国也颁布并于 2006 年 1 月 1 日开始实施 《中华人民共和国可再生能源法》。
此外，海带等褐藻可以通过厌氧发酵制取沼 气和氢气。早在 20 世纪 70 年代中叶，糖海带 （L. saccharina） 就被厌氧发酵以实验性地制取燃 料沼气[24]。当使用春季或秋季的糖海带来进行半 连续发酵，每克原料分别能产生 0.22 L 或 0.27 L 甲烷气（CH4）[25]。若在发酵中添加废弃的牛奶时， 甲烷气的产量随加料的比例而改变，但其产量与 化学耗氧量 （COD） 的比值较稳定地保持在 0.2 ~ 0.3 m3/kg COD 范围内[26]。其实，早在二十世纪 70 年代第 1 次能源危机的时候，美国就开始养殖巨
（7） 海藻能源化的发展，促进了渔民、渔村 及渔业的和谐发展。海藻能源化必然促进海藻养 殖规模的进一步扩展，这样在可能不按规模比例 增加成本投入的情况下，就可以绝对地增加了海 藻的产量与经济收入；养殖生产基础设施的投 入，也必然拉动了内需，促进了经济的发展，使 得整个产业链都增加了就业的岗位，有助于解决 “三渔”问题。
者是后者的 2.8 倍[11]。另外，藻体形态简单，全 株都可以吸收营养元素。因此，藻类的生长速度 快、光合作用效率高、单位面积生物量大。
（6） 养殖海藻具有巨大的环境效应。如果利 用我国海面的百分之一养殖海藻，按海藻干物质 的碳含量为 30%来计算，每年就能生产相当于 7.5×108 亿 J 的燃料，可固定 0.9 亿 t 的 CO2[12]。这 个数据就是 2008 年我国 CO2 的排放量（65.5 亿t） [13]的七十二分之一。因此，海藻的生长可以吸收 大气及海水中的 CO2，协助解决地球变暖、海水 酸化等问题。未来随着碳税的开征，还可以出售 可观的 CO2 配额。同时，由于工农业及生活废水 等排放入海造成近海严重的富营养化，引发“赤 潮”、“绿潮”等生态灾难，影响海洋经济的可 持续发展，养殖海藻可以减轻海水的富营养化， 维持海洋生态平衡以及物质再循环[14]。
总 之 ， FAO （2009） 通 过 对 培 养 系 统 及 设 施、所含能量物质、经济性以及目前藻类的能源 化技术等多角度的综合比较分析后，认为最适合 作为生物质能资源的是藻类，藻类中最明智的选 择是大型海藻[14]。
3 大型海藻转化成生物燃料的潜能
大型海藻主要包括红藻、绿藻和褐藻等 。 [21] 红藻主要用于提取琼胶、卡拉胶等化工原料，也 可作为食品直接食用 （如紫菜），规模养殖的产 量较小。绿藻与红藻类似，藻体也较小，不易形 成巨大的生物量。尽管像浒苔等海洋绿藻时而因 环境变异导致其生物量爆发性增加，但因规模化
（5） 海藻单位面积的产量高。藻类的光合作 用效率为 6% ~ 8%，远高于陆地植物 （1.8% ~ 2.2%）[10]。 天 然 状 态 下 ， 大 型 褐 藻 如 海 带 （Laminaria sp）. 、裙带菜 （Undaria sp）. 、马尾藻 等 （Sargassum sp）. 等的生产力是 3 300 至 11 300 g 干物质·m-2·a-1。而养殖条件下海藻的生产力则 更高。例如，海带在 7 个月的养殖时间内每 m2 海面可生产 15 000 g 干物质 （相当于 150 t·hm-）2 ， 美国种植甘蔗的生产力是 61 ~ 95 t 鲜重·hm-2·a-1。 当把海藻与甘蔗最大生产力进行比较时，发现前
问题十分有利，该规划认为以燃料乙醇和生物柴 油为代表的生物液体燃料是重要的石油替代产 品。考虑到我国人口众多、土地及淡水资源严重 缺乏等基本国情，该规划建议不再增加以粮食为 原料的燃料乙醇生产能力，应合理选育和科学种 植能源植物，利用非粮生物质原料生产燃料乙 醇。到 2010 年，计划增加非粮原料燃料乙醇年 利用量 200 万 t；到 2020 年，生物燃料乙醇年利 用量达到 1 000 万 t。那时我国燃料乙醇的年产量 相当于替代石油约 800 万 t，对改善我国能源结 构、节约能源资源、CO2 减排等将起到非常重要 的作用。
日本也在进行一个名叫“Ocean Sunrise Project” 的计划，利用日本经济专属区未被利用的 4.47× 106 km2 海区养殖并收获 150×106 t 铜藻 （Sargas－ sum horner）i 以生产 5×106 L 藻类生物乙醇[16]。
爱尔兰计划到 2020 年，在 700 hm2 海区进行 海带等褐藻的养殖，已获取 447 万亿 J 的藻类能 源[17]。同时，英国[18]、意大利[19]、德国[20]也在进行 藻类生物能源研究与开发的论证。
（3） 我国可以用来养殖海藻的海面，据估 计，超过 1.5×106 km2[7]。根据 《2010 年中国渔业 统计年鉴》，2008 年我国海带养殖面积仅为 335 km2，不足可养殖水面的万分之三。因此，我国 可养殖海带的蓝色国土面积潜力巨大。
（4） 我国海藻养殖产业的基础及技术世界领 先。据联合国粮农组织 （FAO） 的统计，中国海 带养殖产量占世界的 70%以上[8]。自 20 世纪 50 年代以来，以曾呈奎为首的我国藻类学工作者解 决了一系列海藻养殖理论性问题，并在此基础上 发明了海藻养殖的关键性技术，形成规模巨大的 海藻养殖产业[9]。
自海带 （L. hyperborea） 提取的褐藻淀粉和 甘露醇可被毕赤酵母 （Pichia angophorae） 发酵成 乙醇，每 g 底物可生产 0.43 g 乙醇，转化效率达 到 40%以上[6]。甘露醇还可被棕榈发酵细菌 （Zy－ mobacter palmae） 发酵[22]，或在甘露醇脱氢酶的 作用下首先被氧化成果糖，然后被酿酒酵母 （Saccharomyces cerevisiae） 发酵成乙醇。海带也 可无需进行物质提取等预处理，其藻体直接经过 酿酒酵母发酵也可产生乙醇[5]。近年来，国内外 学者对海带发酵生产乙醇开展了一些初步探索， 但其乙醇得率不尽相同，转化效率有待进一步稳 定与提高。另外，海带另一类碳水化合物— ——海 藻纤维在添加纤维素酶的条件下，也可以被酿酒 酵母发酵而成乙醇[23]。海带等褐藻中的褐藻淀粉 及甘露醇等物质虽然可被酿酒酵母利用并转化为 乙醇，但其转化效率有待提高。但是与经济作物 等比较 （表 1），这些大型海藻仍然具有单位面积 产量高、乙醇潜在产量大等优点。其单位时间、 单位面积的乙醇产量分别是甘蔗、甜菜、玉米 （谷粒） 及小麦 （谷粒） 的 3.46、4.54、11.6 及 23.2 倍。结合海带养殖可利用广袤的蓝色国土等 优势，我们认为利用海带等褐藻生产乙醇具有诱 人的开发前景。
为了更好地贯彻 《可再生能源法》，我国政 府于 2007 年 8 月又制定了目标明确、远见卓识 且可操作的 《可再生能源中长期发展规划》，提 出了明确的发展目标：力争到 2010 年使可再生 能源消费量达到能源消费总量的 10%，到 2020 年达到 15%。鉴于生物质能开发利用还可以促进 农村经济发展、增加农民收入，对解决“三农”
在亚洲，除日本外，菲律宾政府也将规划 100 hm2 土地，并投资 500 万美元，进行海藻乙 醇燃料研究。印度尼西亚与韩国达成协议，利用 韩国在海藻能源方面的先进技术与印度尼西亚海 域进行海藻生物燃料的开发[3]。另据韩国能源部 门官员证实，韩国将在未来 10 年内开发 8.6 万英 亩海藻种植区域进行海藻乙醇研究，计划到2020 年使海藻生物乙醇替代韩国 13%的石油。
（2） 海藻是一个非常理想的生物质原料。海 藻被认为是最有可能用于能源加工的候选大型藻 类之一，其最大优点是不含有木质素或其含量非 常低，海藻的能量转化效率高[3，4]。其中海带中可 转化为乙醇的褐藻淀粉及甘露醇总含量达到藻体 干重的 55%[5]，目前这些物质转化为乙醇的效率为 43%[6]，也就是说 1 kg 干海带可以转化为 250 g 乙 醇。海藻单位面积的乙醇潜在产量是玉米的 10 倍以上。
第1卷 第4期 2011 年 8 月
【产业经济】
海洋经济
MARINE ECONOMY
Vol. 1 No. 4 Aug. 2011
大型海藻能源化利用的研究与思考
周志刚， 毕燕会
（上海海洋大学 水产与生命学院， 上海高校水产养殖学 E-研究院， 上海 201306）
摘 要： 随着一次性能源资源的枯竭及环境的恶化， 生物质能越来越被更多的人们接受为 未来重要的一种可再生能源。 大型海藻因生活于海洋、 不含有木质素、 单位面积产量大等 优点， 必将引起更广泛的关注。 但关于大型海藻生物质积累的生物学基础、 合成代谢途 径、 微生物降解及其效率等方面的研究都非常缺乏。 针对大型海藻能源化的潜能、 国内外 研究进展以及存在的问题， 展开了讨论并展望其应用前景。 关键词： 海藻； 海水养殖； 碳同化； 沼气； 生物乙醇 中图分类号： F407.2 文献标志码： A 文章编号： 2095-1647（2011）04-0023-06